一、項目背景：生物疫苗生產車間的通訊困境

在工業(yè)自動化領域的生物疫苗生產車間中，某企業(yè)采用威綸通 HMI（Modbus RTU 協(xié)議）負責發(fā)酵罐、純化設備的實時操作監(jiān)控與參數設定，搭配羅克韋爾 Micro800 系列 PLC（Modbus TCP 協(xié)議）控制疫苗生產全流程的溫度、pH 值、攪拌轉速等關鍵工藝參數。

兩者需實時協(xié)同：HMI 需向 Micro800 PLC 下發(fā)發(fā)酵溫度設定值（如 37℃±0.1℃）、pH 調節(jié)指令（如 7.2±0.05），Micro800 PLC 需反饋實際工藝參數、設備運行狀態(tài)（如攪拌電機運行電流），以保障疫苗生產過程的穩(wěn)定性與一致性。但因雙方采用不同總線協(xié)議，缺乏直接通訊通道，原有 “操作員在 HMI 記錄參數后手動錄入 PLC” 的銜接方式效率低下，日均因參數錄入偏差導致的工藝波動達 2 次，單次波動需廢棄整批發(fā)酵液（約 1000L），直接損失超 15 萬元。生物疫苗生產作為醫(yī)藥行業(yè)的核心領域，是工業(yè)自動化中對生產精度、數據合規(guī)要求極高的前景行業(yè)（2025 年全球市場規(guī)模預計超 1200 億美元），對工業(yè)物聯網環(huán)境下數據的實時性、可追溯性提出了嚴苛標準（符合 GMP、FDA 21 CFR Part 11 要求）。

二、項目痛點

1.協(xié)議異構阻斷工藝控制：HMI 的 Modbus RTU 協(xié)議與 Micro800 PLC 的 Modbus TCP 協(xié)議無法直接兼容，無物聯網網關中轉時，工藝參數需操作員每 10 分鐘在 HMI 上記錄后，通過 PLC 編程軟件手動輸入，單次數據傳遞延遲超 15 分鐘，導致發(fā)酵溫度控制偏差超 0.3℃，曾引發(fā) 1 批疫苗效價不達標，報廢損失超 20 萬元；疫苗生產周期從 72 小時延長至 85 小時，產能下降 15%。

2.數據采集追溯斷層：原有系統(tǒng)無專用數據采集器，發(fā)酵過程的溫度、pH 值、溶氧量等關鍵工藝數據僅分別存儲于 HMI 本地（存儲周期 24 小時）與 PLC 內存，無法自動上傳至工業(yè)物聯網平臺與 GMP 數據歸檔系統(tǒng)，審計追蹤時需人工整理紙質記錄，耗時超 72 小時，不符合 FDA 21 CFR Part 11 對 “電子數據不可篡改、可追溯” 的要求，面臨監(jiān)管部門整改風險。

3.工業(yè)環(huán)境適應性差：生產車間為無菌潔凈區(qū)（Class 1000），傳統(tǒng) RS485 轉以太網模塊防護等級低（IP20），且不耐受潔凈區(qū)的酒精消毒與濕熱環(huán)境（溫度 25℃±2℃、濕度 60%±5%），日均通訊中斷 1-2 次，每次中斷需停產消毒并重啟設備，恢復耗時超 3 小時，單日減少有效生產時間約 6 小時，損失產能超 800 劑疫苗。

4.設備負載超限引發(fā)安全風險：嘗試通過第三方軟件實現數據轉發(fā)，導致 HMI 觸控響應延遲超 2 秒（CPU 負載升至 88%）、Micro800 PLC CPU 負載達 85%，超出安全運行閾值（HMI≤80%、PLC≤75%），引發(fā) pH 調節(jié)泵控制滯后，發(fā)酵液 pH 值波動超 0.15，存在疫苗質量不合格風險，曾導致 2 批產品返工，額外成本超 8 萬元。

三、塔訊 TX 131-RE-RS/TCP系統(tǒng)結構拓撲圖

四、塔訊 TX 131-RE-RS/TCP 網關功能簡介

作為核心塔訊TX 131-RE-RS/TCP工業(yè)網關，該設備實現 Modbus RTU 從站到 Modbus TCP 從站的雙向協(xié)議轉換，關鍵功能深度適配生物疫苗生產場景需求：

·協(xié)議兼容：嚴格遵循 Modbus RTU（IEC 61158）與 Modbus TCP（IEC 61158）協(xié)議規(guī)范，支持 9600-115200bps 可調波特率（適配 HMI 通訊參數：9600bps、偶校驗、8 數據位、1 停止位）與 10/100Mbps 自適應以太網速率，自動識別 Micro800 PLC 的 Modbus TCP 寄存器映射規(guī)則，確保工藝參數與指令傳輸無格式偏差，符合疫苗生產 “參數零誤差” 要求。

·數據處理：內置雙核工業(yè)級處理器，每秒可完成 2000 次以上數據轉換，轉換延遲≤20μs，支持 1800 點數據映射，滿足溫度（4 字節(jié)浮點數）、pH 值（4 字節(jié)浮點數）、攪拌轉速（2 字節(jié)整數）等多類型工藝數據同步傳輸，數據更新頻率達 1 次 / 秒，符合 GMP 對 “實時監(jiān)控” 的標準。

·工業(yè)適配：具備 IP40 防護等級（適配潔凈區(qū)消毒環(huán)境），外殼采用耐酒精、耐腐蝕材質，支持 24VDC 寬壓供電（±10% 波動兼容）；采用寬溫設計（10℃-40℃），耐受潔凈區(qū)溫濕度波動；抗電磁干擾性能符合 EN 61000-6-2 標準，避免純化設備高頻電機產生的干擾導致數據丟包。

·物聯與合規(guī)擴展：支持本地數據緩存（容量 2GB，緩存周期 90 天），通過 MQTT 協(xié)議對接工業(yè)物聯網平臺與 GMP 數據服務器，實現工藝數據實時歸檔與不可篡改存儲；內置審計追蹤日志功能，記錄每一次參數修改、數據傳輸的時間戳與操作員信息，滿足 FDA 21 CFR Part 11 要求；支持故障自恢復，通訊中斷后≤80ms 重新建立連接，保障生產連續(xù)。

五、解決方案與實施過程

（一）方案設計

采用塔訊 TX 131-RE-RS/TCP智能網關構建 “HMI 主站 - 網關 - PLC 主站” 通訊架構：網關 Modbus RTU 側作為 HMI 的從站，實時采集工藝設定值（如發(fā)酵溫度 DB1.DBD10、pH 值 DB1.DBD20）、設備啟停指令；Modbus TCP 側作為 Micro800 PLC 的從站，將采集到的設定值與指令傳輸至 PLC，同時接收 PLC 反饋的實際工藝參數（如實時溫度 DB2.DBD10、pH 值 DB2.DBD20）、設備運行狀態(tài)，實現雙向數據實時交互，數據更新頻率 1 次 / 秒，滿足疫苗生產工藝控制需求。

（二）實施步驟

1.硬件部署：網關安裝于潔凈區(qū)外的控制室機柜內，通過耐酒精屏蔽 RS485 電纜（長度 25 米，穿墻接線盒密封處理）接入 HMI 的 RS485 通訊端口；通過單模光纖（抗干擾性強，適配潔凈區(qū)與控制室 300 米距離）連接 Micro800 PLC 的以太網交換機，配置 IP 地址（192.168.5.100）與 PLC（192.168.5.10）同網段，做好獨立接地處理（接地電阻≤4Ω），避免車間靜電干擾。

2.參數配置：使用塔訊配置軟件建立數據映射表 —— 將 HMI 的工藝設定值（發(fā)酵溫度：40001、pH 值：40002）映射至網關寄存器；將 PLC 的反饋數據（實時溫度：30001、pH 值：30002、設備狀態(tài)：10001）映射至網關對應寄存器，設置數據更新周期 100ms，啟用 “數據校驗”“審計日志”“斷網重連” 功能，日志保存周期 90 天。

3.聯調與合規(guī)測試：在工業(yè)物聯網平臺與 HMI 同步驗證數據傳輸（延遲≤20μs，丟包率 0%）；模擬工藝參數調整（如溫度從 37℃升至 39℃），測試 PLC 接收指令后執(zhí)行器的響應時間（≤50ms）；邀請第三方機構驗證審計日志符合 FDA 21 CFR Part 11 要求，確保通過 GMP 復評。

六、應用效果與前后對比

（一）實施后效果

1.工藝穩(wěn)定性與合規(guī)性雙提升：數據傳輸延遲降至 20μs 內，HMI 與 PLC 參數同步無偏差，發(fā)酵溫度控制波動從 ±0.3℃降至 ±0.08℃，pH 值波動從 ±0.15 降至 ±0.04，工藝波動次數從 2 次 / 日降至 0 次，每月減少產品廢棄損失超 45 萬元；疫苗生產周期從 85 小時縮短至 72 小時，產能提升 15%，月增產疫苗超 2.4 萬劑。

2.數據追溯效率大幅提升：通過網關將工藝數據自動歸檔至工業(yè)物聯網平臺與 GMP 服務器，審計追蹤時間從 72 小時縮短至 15 分鐘，順利通過 FDA 現場檢查；數據不可篡改功能保障電子數據合規(guī)，未再出現監(jiān)管整改風險。

3.通訊穩(wěn)定性適配潔凈區(qū)環(huán)境：網關 IP40 防護與耐消毒設計適配潔凈區(qū)工況，連續(xù)運行 3 個月無通訊中斷，設備故障率從 8% 降至 0.3%，停產恢復時間從 3 小時縮短至 10 分鐘，單日增加有效生產時間 6 小時，月增產能超 1.8 萬劑。

4.設備負載與安全風險降低：HMI 觸控響應延遲從 2 秒降至 0.1 秒（CPU 負載從 88% 降至 42%），Micro800 PLC CPU 負載從 85% 降至 38%，均低于安全閾值；pH 調節(jié)泵控制滯后消除，徹底避免因設備負載導致的工藝偏差，未再發(fā)生產品返工事件，每年減少額外成本超 50 萬元。

（二）效果對比表

七、行業(yè)價值與后續(xù)擴展

本案例聚焦生物疫苗生產行業(yè)，該行業(yè)關乎公共衛(wèi)生安全，對生產過程的精準控制與數據合規(guī)性要求極高。此方案可復制至抗體藥物、基因工程產品等生物制藥場景，后續(xù)可擴展接入 MES 系統(tǒng)，實現工藝參數與生產訂單、質量檢測數據聯動；或對接 AI 工藝優(yōu)化系統(tǒng)，通過工業(yè)物聯網平臺分析歷史數據，自動生成最優(yōu)工藝參數，進一步提升疫苗生產的穩(wěn)定性與效率，助力企業(yè)滿足全球嚴苛的醫(yī)藥監(jiān)管標準。

審核編輯 黃宇